funcionamiento del túnel de secado térmico de fangos de la

FUNCIONAMIENTO DEL TÚNEL DE SECADO
TÉRMICO DE FANGOS DE LA EDAR DE IBI
(ALICANTE)
José Juan MORENILLA MARTÍNEZ
Dr. Ingeniero industrial
Ignacio BERNÁCER BONORA
Licenciado en Farmacia
José Mª SANTOS ASENSI
Ingeniero Industrial
Entidad Pública de Saneamiento de Aguas Residuales
COMUNIDAD VALENCIANA
Jacinto MUÑOZ ROBLEDILLO
Ingeniero Técnico Industrial
INGENIERÍA ALICANTINA. S.A. (GRUPO TYPSA)
Resumen
El presente artículo analiza las cuestiones técnicas y económicas relativas al
funcionamiento del túnel de secado térmico de fangos instalado en la EDAR de Ibi
(Alicante). La inversión en la construcción del secado térmico se justifica por los altos
costes que suponía el tratamiento de los fangos debido al gran contenido en metales
pesados que presentan, lo cual provoca que deban ser gestionados como residuo
peligroso.
En la instalación construida, la energía térmica necesaria para el secado se puede aportar
de dos formas: mediante el empleo de bombas de calor, o mediante el aprovechamiento
del calor producido en el sistema de cogeneración.
Con esta instalación de la EDAR además de reducir en un 66% el volumen de lodos
producido, se cuenta con un sistema autónomo de energía que permite incluso exportar
a la red el 58% de la que se genera. Por tanto, está prácticamente garantizado el
suministro eléctrico de la EDAR con la consiguiente mejora en la disponibilidad de la
instalación.
Vista general del túnel de secado térmico
Introducción
La estación depuradora de aguas residuales de Ibi entró en servicio el año 1993.
Inicialmente. la línea de agua contaba con un tratamiento tísico-químico, mientras que
los fangos recibían un tratamiento químico de estabilización mediante adición de cal y
posterior deshidratación en filtros banda. La sequedad media obtenida bajo estas
condiciones de funcionamiento era del 28%.
Debido a la importancia de la industria del juguete, los fangos contienen una alta
concentración de metales pesados, lo cual impide su aplicación en agricultura, debiendo
ser tratados como residuos peligrosos con el consiguiente incremento de los costes de
explotación. Esta circunstancia, unida a la necesidad de completar el tratamiento de las
aguas para su vertido en zona catalogada como sensible, motivó la reforma de la
depuradora, finalizada en el año 2002, habiéndose construido los siguientes elementos:
· Tratamiento biológico con eliminación de nutrientes;
· Desinfección del agua tratada mediante radiación ultravioleta; e
· Instalación de un secado térmico de lodos por convección a baja temperatura.
Descripción del secado térmico de lodos
El secado térmico de lodos a baja temperatura Instalado en la EDAR de Ibi se basa en el
principio de secado por convección de aire caliente en túnel cerrado y continuo,
efectuándose el aporte del calor necesario para el secado de los lodos mediante dos
fuentes alternativas: * bombas de calor, y " aprovechamiento del calor generado en los
circuitos de refrigeración del bloque motor y gases de escape de dos motores diesel.
En la tabla 1, se indican los parámetros de diseño del secado térmico de lodos, y en la
figura 1 pueden verse los elementos de la unidad de tratamiento.
Los principales elementos del túnel de secado térmico son:
· Tomillo de carga y tornillo repartidor a extrusoras. Ambos elementos conectados en
serie, recogen y transportan el fango deshidratado de los filtros banda (almacenado en
una arqueta o muelle de carga), hasta las extrusoras.
· Extrusoras. Previamente al extendido del fango deshidratado en las cintas, el fango
debe ser distribuido uniformemente a lo largo de las mismas. Así mismo, debe ser
conformado de tal forma, que la geometría, longitud y espesor del mismo a la salida de
las extrusoras permitan su correcto secado (fotos 1 y 2).
· Cintas de tracción. Estos elementos recogen el fango deshidratado a la salida de las
extrusoras y lo transportan horizontalmente a través del túnel de secado térmico, donde
una corriente de aire caliente y seco a 65 °C, forzado por los ventiladores interiores,
incide perpendicularmente a las cintas. El aire caliente y seco a su paso por las cintas,
absorbe la humedad del fango en proceso de tratamiento, convirtiéndose en aire húmedo
(aire seco + vapor de agua) a 57 °C. Posteriormente, el aire húmedo será enfriado,
deshumectado, calentado y recirculado nuevamente a través de las cintas.
· Cepillos de limpieza. Estos elementos permiten la limpieza continua de las cintas de
tracción.
· Husillos de descarga. El fango secado térmicamente, es transportado y elevado
mediante un sistema de tornillos hasta la tolva de almacenamiento.
Funcionamiento del secado térmico según la fuente de energía
calorífica
Según se ha visto anteriormente, el funcionamiento del túnel de secado térmico, exige
una fuente de calor o foco caliente, que permita disponer de aire caliente y seco a una
temperatura de 65 °C. En el secado térmico de la EDAR de Ibi, los sistemas térmicos
que permiten aportar dicha energía son los siguientes;
· Bombas de calor, e
· Instalación de cogeneración.
A continuación se explica el funcionamiento específico de cada uno de estos sistemas.
Foto 1. Detalle de las extrusoras nº 1 y nº 2 para el conformado de fangos y carga de
cintas.
Funcionamiento del secado térmico mediante bombas de calor
El túnel de secado térmico de Ibi está constituido por dos módulos idénticos conectados
en serie, cada uno de ellos formando un sistema independiente del otro, y constituido
por los siguientes elementos:
· Circuito de agua caliente. Circuito de agua que sirve para la transmisión térmica de
calor, desde el condensador de la maquina térmica hasta el intercambiador de calor
existente en el interior del túnel de secado (batería de intercambio de foco caliente). El
aire, a su paso por este elemento, alcanza la temperatura nominal de trabajo de 65 ºC.
· Circuito de agua Iría. Circuito de agua que sirve para la obtención de la temperatura de
rocío en el segundo ínter-cambiador dispuesto en el interior del túnel de secado (batería
de intercambio de foco frío). El aire caliente y seco a 65 ºC a su paso por las cintas de
tracción, se convierte en una mezcla de aire seco más vapor de agua (aire húmedo). El
aire húmedo al entrar en contacto con el intercambiador de foco frío, desciende su
temperatura hasta el punto óptimo para la condensación del vapor de agua. El agua
condensada en este elemento es eliminada posteriormente del sistema (fotos 3 y 4). En
este segundo intercambiador, además de producirse la temperatura necesaria para la
condensación del vapor de agua, sirve adicionalmente para transmitir la energía térmica
disponible en el aire húmedo hacia la máquina térmica nuevamente. En estas
condiciones, se tiene un circuito cerrado, continuo y con mínima pérdida de calor.
· Máquina térmica de compresión directa con gas Freón R-134- como fluido
refrigerante. Este sistema sirve para la transmisión de energía térmica entre los circuitos
de agua fría y caliente. Los parámetros medios de funcionamiento obtenidos en el
secado térmico con las bombas de calor son los siguientes:
Sequedad de entrada 28 (%)
Sequedad de salida 83 (%)
Reducción masa de lodos 66 (%)
Consumo 0,51 (kWh/l evaporado)
Consumo 0,35 (kWh/kg Iodo entrada)
Evaporación media 416 (I/H)
Foto 2. Detalle del conformado de fangos y cinta de tracción.
Funcionamiento del secado térmico con los equipos de
cogeneración
El funcionamiento del túnel de secado térmico acoplado al sistema de cogeneración es
básicamente igual que el modo de trabajo empleando las bombas de calor. Así, la única
variante que existe en esta modalidad de trabajo es que la potencia térmica necesaria es
aprovechada del calor residual de los dos motores de combustión existentes mediante
los siguientes circuitos:
· Circuito de agua de refrigeración de los motores de combustión. Se trata del circuito de
refrigeración de cualquier motor de combustión si bien, en este caso, se dispone de un
intercambiador intermedio que permite transmitir el calor generado en el bloque motor
hacia un circuito secundario de agua.
· Circuito de aprovechamiento de tos gases de escape. Este circuito canaliza los gases de
escape del motor hacia un segundo intercambiador, donde la potencia térmica de los
mismos es transmitida al circuito secundario de agua procedente del intercambiador que
aprovecha la energía del circuito de refrigeración.
· Circuito de agua caliente para la aumentación del túnel de secado térmico. Este
circuito permite transmitir la potencia térmica recuperada del circuito de refrigeración,
mas la potencia térmica recuperada del intercambiador de los gases de escape, hacia las
baterías de intercambio del foco caliente del túnel de secado térmico.
· Circuitos auxiliares. Estos circuitos sirven para la alimentación de combustible de los
motores y para la refrigeración de los gases de escape, antes de su entrada en los turbocompresores.
Los parámetros medios de funcionamiento obtenidos en el secado térmico acoplado al
sistema de cogeneración son los siguientes:
Sequedad de entrada 28 (%)
Sequedad efe salida 83(%)
Reducción masa de lodos 66 (%)
Consumo gasoil 363 (l/m3 evaporado)
Consumo gasoil 242 (l/t lodo entrada)
Evaporación media 433 (l/h)
Energía generada 1,42 (kWh/l evaporado)
Foto 3. Agua condensada a la salida del túnel de secado.
Costes de explotación del secado térmico
Una vez vistas las alternativas técnicas para el aporte de calor al secado térmico de
lodos (bombas de calor o sistema de cogeneración], y teniendo en cuenta que ambas
aportan prácticamente la misma potencia térmica, el funcionamiento mediante la
instalación de cogeneración presenta una serie de ventajas frente al funcionamiento con
las bombas de calor:
· Paralelamente a la producción de potencia térmica, la instalación de cogeneración
genera energía eléctrica, la cual es aprovechada para el funcionamiento de la estación
depuradora.
· El excedente de energía eléctrica generada por los equipos de cogeneración y no
consumida en la estación depuradora, es vendida a la red de distribución de la compañía
eléctrica, conforme a la normativa legal existente al respecto.
· En caso de interrupción del suministro de energía eléctrica por parte de la compañía
suministradora, la instalación de cogeneración permite dotar de una mayor flexibilidad y
fiabilidad de funcionamiento a la estación depuradora, dado que se puede trabajar con
total independencia de la red de distribución.
La desventaja que presenta la instalación de cogeneración respecto al empleo de las
bombas de calor, es que su viabilidad económica depende de las variaciones existentes
en el precio de suministro de gasoil así corno de los precios de venta de energía eléctrica
a la empresa suministradora.
La existencia de un sistema alternativo de aporte de energía térmica mediante bombas
de calor concede a la instalación una mayor flexibilidad de funcionamiento frente a
averías u operaciones de mantenimiento, del mismo modo que en caso de variaciones
bruscas en el precio de suministro de gasoil permite asegurar unos costes ajustados de
tratamiento de los lodos.
En la tabla 2 se recogen los costes de tratamiento y evacuación de los lodos de la
depuradora de Ibi, teniendo en cuenta las siguientes hipótesis de trabajo:
· Transporte y evacuación de fango deshidratado procedente de los filtros banda, sin
secado térmico;
· Transporte y evacuación de fango deshidratado tratado en el túnel de secado térmico,
funcionando con bombas de calor; y
· Transporte y evacuación de fango deshidratado tratado en el túnel de secado térmico,
funcionando con la instalación de cogeneración.
Tabla 2. Comparativa de costes de tratamiento y evacuación de lodos en la EDAR de Ibi
En la tabla 2, correspondiente a los costes medios del ejercicio 2003, se observa que la
alternativa económicamente más ventajosa es el funcionamiento del secado térmico
acoplado al sistema de cogeneración, si bien la rentabilidad del sistema de cogeneración
está condicionada, tal como se ha comentado anteriormente, por las variaciones del
coste de suministro de gasoil y, en menor medida, de los precios de venta de energía a la
empresa suministradora, tal como se observa en el gráfico 1.
Finalmente, y a modo de resumen, se establece el ahorro económico que supone el
secado térmico en los costes de tratamiento y evacuación de lodos.
Dicho ahorro supone un periodo de amortización para el túnel de secado térmico de
lodos de 4,9 años, mientras que para las instalaciones de cogeneración se incrementa
hasta los 17,8 años, si bien la disponibilidad de los motores instalados como grupo
electrógeno de emergencia supone una notable mejora en la fiabilidad de
funcionamiento de la depuradora.
Conclusiones
La implantación y funcionamiento del túnel de secado térmico de fangos en la EDAR de
Ibi ha supuesto un importante ahorro económico en los costes de explotación, al
reducirse en un 60% el coste de transporte y tratamiento de los lodos. Así mismo, cabe
destacar la notable mejora medioambiental conseguida, al reducirse en torno al 66% el
volumen de fangos a evacuar.
Foto 4. Fango secado térmicamente y agua eliminada del mismo.
El aporte del calor necesario para el secado térmico de lodos se puede efectuar mediante
el empleo de bombas de calor o el acoplamiento del sistema de cogeneración existente,
siendo ésta última la opción económicamente más ventajosa. Asimismo. al tener dos
sistemas alternativos de aporte de energía térmica la instalación está dotada de una
mayor flexibilidad y fiabilidad de funcionamiento.
La viabilidad económica del sistema de cogeneración está condicionada por las
variaciones existentes en el coste del suministro de gasoil y en los precios de venta de
energía a la red eléctrica. En todo caso, los motores existentes permiten asegurar el
suministro de energía eléctrica a todos los equipos de la depuradora en caso de corte en
el suministro.
Vista lateral del túnel de secado térmico de fangos.
Bibliografía
Sistemas de Transferencia de calor, S.A. 2001. Manual de usuario secado térmico
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M. Muñoz y F. Payri. 1989. Motores de combustión interna alternativos. Sección de
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Boixareu Editores.